一项新研究报告称，十年前首次出现在西伯利亚永久冻土中的神秘陨石坑是由气候变化引起的压力变化导致地下冻结的甲烷爆炸性释放而形成的。这项研究为 2014 年首次在俄罗斯亚马尔半岛发现的陨石坑的起源提供了新的见解。

新研究发现，该地区独特的地质状况加上气候变暖，引发了永久冻土层中的甲烷水合物释放甲烷气体的过程。

“这种现象的发生需要非常特殊的条件，”剑桥大学化学工程师、这项研究的作者之一安娜·莫加多 (Ana Morgado) 说。“我们谈论的是一个非常特殊的地质空间。”

冻土爆炸案例

亚马尔半岛是一块低洼陆地，从俄罗斯中北部伸入喀拉海。2014 年，有报道称永久冻土层中突然出现了一个陨石坑，最宽处约 70 米(230 英尺)。在接下来的十年里，亚马尔半岛和附近的格丹半岛上又发现了其他陨石坑。

过去 10 年中，对于这些陨石坑的形成原因出现了许多解释，有人认为爆炸是由于冻土融化导致地下甲烷气体积聚，有人认为爆炸是由于陨石坑靠近天然气储备地。

但作者发现，单靠永久冻土变暖不足以引发爆炸。新解释称，地表变暖导致地下深处压力急剧变化，从而导致爆炸性甲烷气体的释放。

“我们知道有某种东西导致甲烷水合物层分解，”莫加多说。“这有点像侦探工作。”

渗透推动爆炸

研究人员自下而上地解决了这个难题，首先考虑一个基本问题：爆炸是由物理过程还是化学过程引起的?

“只有两种方式可以引发爆炸，”西班牙国家研究委员会的地球物理学家、这项研究的作者之一朱利安·卡特赖特 (Julyan Cartwright) 说。“要么发生化学反应，然后发生爆炸，就像炸药爆炸一样，要么给自行车轮胎充气直到它爆炸——这就是物理学。”

他说，在这种情况下，没有证据表明爆炸是由化学反应引起的，因此爆炸一定是由物理原因引起的。“然后你必须想，给你的自行车轮胎打气的泵是什么?”他说。

作者称，这种泵的作用是渗透，即液体通过移动来平衡溶解在其中的物质的浓度。盐水就是一个典型的例子。如果存在一道屏障，允许水通过，但不允许盐通过，那么当水流向咸水一侧时，压力可能会在咸水一侧形成。

亚马尔半岛厚厚的粘土冻土层充当着渗透屏障，而气候变暖正在改变它。这层厚达 180 至 300 米(590 至 980 英尺)的冻土层全年处于永久冻结状态。其上方的表土“活跃层”会随着季节变化而融化和重新冻结。

在整个苔原地带和永久冻土层之间散布着一层不同寻常的未冻结的高盐度水层，这些水层被称为“冻层”，厚达一米，在压力和盐度的共同作用下保持液态。冻层之下是一层结晶的甲烷水固体，称为甲烷水合物，在高压和低温的作用下保持稳定。

但温度升高会破坏这些层的稳定性。研究人员发现，气候变化已导致活性层融化并向下膨胀，直至到达低温层，释放出水分，这些水分通过渗透压进入低温层。

但是，冰冻层中没有足够的空间容纳渗透压强加的额外融水，因此压力增大。不断增加的压力导致土壤出现裂缝，裂缝从冰冻层向上延伸至地表。然后压力梯度反转：破裂的土壤导致深处的压力突然下降。这种压力变化会损坏冰冻层下方的甲烷水合物，从而导致甲烷气体释放和物理爆炸。

研究发现，爆炸前期可能持续数十年。这一时间线与 20 世纪 80 年代以来气候变暖加剧的时间线相吻合。

新的解释取决于气候变暖和该地区的地质如何相互作用而产生亚马尔半岛独有的爆炸。

“这可能是一种罕见现象，”莫尔加多说。“但甲烷的释放量可能会对全球变暖产生相当大的影响。”

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